2020届高考物理总复习课件:第4章曲线运动万有引力与航天第4课时万有引力与航天课件教科版.pdf
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1、第第4 4课时 万有引力与航天课时 万有引力与航天 基础回顾基础回顾 核心探究核心探究 演练提升演练提升 基础回顾基础回顾 自主梳理自主梳理融会贯通融会贯通 知识梳理知识梳理 一、开普勒行星运动定律一、开普勒行星运动定律 1.1.第一定律第一定律: :所有的行星围绕太阳运动的轨道都是所有的行星围绕太阳运动的轨道都是 , ,太阳处在所有椭太阳处在所有椭 圆的一个圆的一个 上上. . 2.2.第二定律第二定律: :从太阳到行星的连线在相等的时间内扫过相等的从太阳到行星的连线在相等的时间内扫过相等的 . . 3.3.第三定律第三定律: :行星轨道的行星轨道的 的三次方与的三次方与 的二次方的二次方
2、的比值是一个常量的比值是一个常量. . 4.4.应用应用 (1)(1)行星绕太阳的运动通常按圆轨道处理行星绕太阳的运动通常按圆轨道处理. . 椭圆椭圆 焦点焦点 面积面积 半长轴半长轴公转周期公转周期 (2)(2)开普勒行星运动定律也适用于其他天体开普勒行星运动定律也适用于其他天体, ,例如月球、卫星绕地球的运动例如月球、卫星绕地球的运动. . 二、万有引力定律及其应用二、万有引力定律及其应用 1.1.内容内容: :任何两个物体之间都存在相互作用的引力任何两个物体之间都存在相互作用的引力, ,引力的大小与这两个物体引力的大小与这两个物体 的质量的乘积的质量的乘积 , ,与这两个物体之间距离的平
3、方与这两个物体之间距离的平方 . . 成正比成正比成反比成反比 3.3.适用条件适用条件 (1)(1)公式适用于公式适用于 间的相互作用间的相互作用. .当两个物体间的距离远远大于物体本当两个物体间的距离远远大于物体本 身的大小时身的大小时, ,物体可视为质点物体可视为质点. . (2)(2)质量分布均匀的球体可视为质点质量分布均匀的球体可视为质点,r,r是是 的距离的距离. . 质点质点 两球心间两球心间 三、宇宙速度三、宇宙速度 1.1.第一宇宙速度第一宇宙速度 (1)(1)第一宇宙速度是人造地球卫星在第一宇宙速度是人造地球卫星在 环绕地球做匀速圆周运环绕地球做匀速圆周运 动时具有的速度动
4、时具有的速度. . (2)(2)第一宇宙速度是卫星的第一宇宙速度是卫星的 速度速度, ,也是卫星能环绕地球运行也是卫星能环绕地球运行 所需的所需的 速度速度. . 地面附近地面附近 最大环绕最大环绕 最小发射最小发射 2.2.第二宇宙速度和第三宇宙速度第二宇宙速度和第三宇宙速度 (1)(1)第二宇宙速度第二宇宙速度:v:v2 2= = km/s, km/s,使人造卫星脱离使人造卫星脱离 的引力束缚的引力束缚, ,不不 再绕地球运行再绕地球运行, ,从地球表面发射所需的最小速度从地球表面发射所需的最小速度. . (2)(2)第三宇宙速度第三宇宙速度:v:v3 3= = km/s, km/s,使物
5、体脱离使物体脱离 的束缚而飞离太阳的束缚而飞离太阳 系系, ,从地球表面发射所需的最小速度从地球表面发射所需的最小速度. . 四、经典时空观和相对论时空观四、经典时空观和相对论时空观 1.1.经典时空观经典时空观 位移的测量、时间的测量都与位移的测量、时间的测量都与 无关无关. . 2.2.相对论时空观相对论时空观 同一过程的位移和时间测量在不同参考系中是同一过程的位移和时间测量在不同参考系中是 的的. . 11.211.2地球地球 16.716.7太阳太阳 参考系参考系 不同不同 自主检测自主检测 1.1.思考判断思考判断 (1)(1)行星在椭圆轨道上运行行星在椭圆轨道上运行, ,离太阳越远
6、离太阳越远, ,运行速率越大运行速率越大.(.( ) ) (2)(2)开普勒行星运动定律也适用于其他天体系统开普勒行星运动定律也适用于其他天体系统.(.( ) ) (3)(3)牛顿根据前人的研究成果得出了万有引力定律牛顿根据前人的研究成果得出了万有引力定律, ,并测量得出了引力常量并测量得出了引力常量.(.( ) ) (4)(4)第一宇宙速度是卫星绕地球做匀速圆周运动的最小速度第一宇宙速度是卫星绕地球做匀速圆周运动的最小速度.(.( ) ) (5)(5)发射探月卫星的发射速度必须大于第二宇宙速度发射探月卫星的发射速度必须大于第二宇宙速度.(.( ) ) 答案答案: :(1)(1) (2)(2)
7、 (3)(3) (4)(4) (5)(5) 2.2.关于万有引力公式关于万有引力公式F=G ,F=G ,以下说法中正确的是以下说法中正确的是( ( ) ) A.A.公式只适用于星球之间的引力计算公式只适用于星球之间的引力计算, ,不适用于质量较小的物体不适用于质量较小的物体 B.B.当两物体间的距离趋近于当两物体间的距离趋近于0 0时时, ,万有引力趋近于无穷大万有引力趋近于无穷大 C.C.两物体间的万有引力也符合牛顿第三定律两物体间的万有引力也符合牛顿第三定律 D.D.地球绕太阳在椭圆轨道上运行地球绕太阳在椭圆轨道上运行, ,在近日点和远日点受到太阳的万有引力大在近日点和远日点受到太阳的万有
8、引力大 小是相同的小是相同的 C C 解析解析: :万有引力公式万有引力公式F=G F=G 适用于质点或均匀球体间引力的计算适用于质点或均匀球体间引力的计算, ,与物体与物体 质量大小无关质量大小无关. .当两物体间距离趋近于当两物体间距离趋近于0 0时时,F= ,F= 已不再适用已不再适用, ,所以不能所以不能 说万有引力趋近于无穷大说万有引力趋近于无穷大, ,故故A,BA,B错误错误; ;两物体间的万有引力也符合牛顿第两物体间的万有引力也符合牛顿第 三定律三定律,C,C正确正确; ;万有引力与距离的二次方成反比万有引力与距离的二次方成反比,D,D错误错误. . 12 2 mm r 12 2
9、 mm r 12 2 Gmm r 3.(3.(20182018吉林长春质检吉林长春质检) )某国成功发射了一颗卫星某国成功发射了一颗卫星, ,该卫星在近地点高度该卫星在近地点高度 494.6494.6千米、远地点高度千米、远地点高度500500千米的轨道上运行千米的轨道上运行, ,它的运行轨道可视为圆周它的运行轨道可视为圆周, , 运行周期为运行周期为9494分分2424秒秒, ,关于该卫星下列表述正确的是关于该卫星下列表述正确的是( ( ) ) A.A.该卫星轨道可以任意选择该卫星轨道可以任意选择, ,地心不必在轨道平面内地心不必在轨道平面内 B.B.该卫星的发射速度不超过第一宇宙速度该卫星
10、的发射速度不超过第一宇宙速度 C.C.该卫星在轨道运行的速度大于地球同步卫星运行速度该卫星在轨道运行的速度大于地球同步卫星运行速度 D.D.该卫星只需加速该卫星只需加速, ,即可追上同轨道运行的其他卫星即可追上同轨道运行的其他卫星 C C 解析解析: :所有地球卫星的轨道平面一定过地心所有地球卫星的轨道平面一定过地心, ,所以选项所以选项A A错误错误; ;发射卫星时速发射卫星时速 度一定超过第一宇宙速度度一定超过第一宇宙速度, ,选项选项B B错误错误; ;该卫星轨道低于同步卫星轨道该卫星轨道低于同步卫星轨道, ,所以所以 运行速度大于同步卫星的运行速度运行速度大于同步卫星的运行速度, ,选
11、项选项C C正确正确; ;卫星加速后将做离心运动卫星加速后将做离心运动, , 偏离原轨道偏离原轨道, ,不能直接追上同轨道运行的其他卫星不能直接追上同轨道运行的其他卫星, ,选项选项D D错误错误. . 核心探究核心探究 分类探究分类探究各个击破各个击破 考点一 万有引力定律的理解与应用考点一 万有引力定律的理解与应用 1.1.万有引力的计算万有引力的计算 公式公式F=G F=G 适用于质点、均匀介质球体或球壳之间万有引力的计算适用于质点、均匀介质球体或球壳之间万有引力的计算. .当两当两 物体为均质球体或球壳时物体为均质球体或球壳时, ,可以认为匀质球体或球壳的质量集中于球心可以认为匀质球体
12、或球壳的质量集中于球心,r,r为为 两球心的距离两球心的距离, ,引力的方向沿两球心的连线引力的方向沿两球心的连线. . 12 2 mm r (3)(3)其他天体的其他天体的“重力加速度重力加速度”, ,可参考地球上的情况做相应分析可参考地球上的情况做相应分析. . 【典例典例1 1】 ( (20182018山东省济宁市模拟山东省济宁市模拟) )假设地球为质量均匀分布的球体假设地球为质量均匀分布的球体. .已知地已知地 球表面的重力加速度在两极处的大小为球表面的重力加速度在两极处的大小为g g0 0、在赤道处的大小为、在赤道处的大小为g,g,地球半径为地球半径为R,R, 则地球自转的周期则地球
13、自转的周期T T为为( ( ) ) B B 核心点拨核心点拨 (1) (1)在两极处物体不随地球转动在两极处物体不随地球转动, ,万有引力等于重力万有引力等于重力; ; (2)(2)在赤道处物体随地球绕地心转动在赤道处物体随地球绕地心转动, ,所受引力等于重力与物体所需的向所受引力等于重力与物体所需的向 心力之和心力之和. . 误区警示误区警示 分析地球表面上的物体运动的注意点分析地球表面上的物体运动的注意点 (1)(1)地球表面上的物体虽然随地球转动而做匀速圆周运动地球表面上的物体虽然随地球转动而做匀速圆周运动, ,但不是卫星但不是卫星, ,其其 万有引力不是向心力万有引力不是向心力. .
14、(2)(2)地球表面上不同纬度的物体到地轴的距离一般不同地球表面上不同纬度的物体到地轴的距离一般不同, ,应用向心力公式应用向心力公式F F 向向=m=m2 2r r时时,r,r是不相同的是不相同的. . D D 考点二 中心天体质量和密度的估算考点二 中心天体质量和密度的估算 1.1.中心天体质量和密度的计算中心天体质量和密度的计算 2.2.估算天体问题应注意三点估算天体问题应注意三点 (1)(1)天体质量估算中常有隐含条件天体质量估算中常有隐含条件, ,如地球的自转周期为如地球的自转周期为24 h,24 h,公转周期为公转周期为365365 天等天等. . (2)(2)若已知地球表面重力加
15、速度时若已知地球表面重力加速度时, ,注意黄金代换式注意黄金代换式GM=gRGM=gR2 2的应用的应用. . 【典例典例2 2】 ( (20172017北京卷北京卷,17,17) )利用引力常量利用引力常量G G和下列某一组数据和下列某一组数据, ,不能计算出地不能计算出地 球质量的是球质量的是( ( ) ) A.A.地球的半径及重力加速度地球的半径及重力加速度( (不考虑地球自转不考虑地球自转) ) B.B.人造卫星在地面附近绕地球做圆周运动的速度及周期人造卫星在地面附近绕地球做圆周运动的速度及周期 C.C.月球绕地球做圆周运动的周期及月球与地球间的距离月球绕地球做圆周运动的周期及月球与地
16、球间的距离 D.D.地球绕太阳做圆周运动的周期及地球与太阳间的距离地球绕太阳做圆周运动的周期及地球与太阳间的距离 D D 核心点拨核心点拨 (1)(1)不考虑地球自转时不考虑地球自转时, ,地球表面的物体受到的重力等于地地球表面的物体受到的重力等于地 球对它的万有引力球对它的万有引力. . (2)(2)行星绕恒星做圆周运动所需向心力由万有引力提供行星绕恒星做圆周运动所需向心力由万有引力提供, ,只能求出恒星质只能求出恒星质 量量, ,不能求出行星的质量不能求出行星的质量. . 误区警示误区警示 天体质量和密度估算的易错点天体质量和密度估算的易错点 (1)(1)利用万有引力提供天体做圆周运动的向
17、心力这一规律时利用万有引力提供天体做圆周运动的向心力这一规律时, ,只能估算中心只能估算中心 天体的质量天体的质量, ,不能估算环绕天体的质量不能估算环绕天体的质量. . 1.1. “g,Rg,R”法计算天体质量和密度法计算天体质量和密度 ( (20182018天津十二区联考天津十二区联考) )在某星球表面以初速在某星球表面以初速 度度v v0 0竖直上抛一个物体竖直上抛一个物体, ,若物体只受该星球引力作用若物体只受该星球引力作用, ,该物体由抛出到落回抛出该物体由抛出到落回抛出 点的时间为点的时间为t,t,已知该星球的直径为已知该星球的直径为D,D,引力常量为引力常量为G,G,则可推算出这
18、个星球的质量则可推算出这个星球的质量 为为( ( ) ) A A 多维训练多维训练 2.2. “T,rT,r”法计算中心天体质量和密度法计算中心天体质量和密度 ( (20182018陕西宝鸡质检陕西宝鸡质检) ) ( (多选多选) )科学家们近期发现了一颗距离地球科学家们近期发现了一颗距离地球1 4001 400光年的系外行星光年的系外行星“Kepler452bKepler452b”, , 它围绕着一颗与太阳质量几乎相等的恒星运行它围绕着一颗与太阳质量几乎相等的恒星运行. .这是迄今发现的最接近地球的这是迄今发现的最接近地球的 “另一个地球另一个地球”. .一未知飞行物以周期一未知飞行物以周期
19、T T贴近贴近“Kepler452bKepler452b”表面做半径为表面做半径为R R的匀的匀 速圆周运动速圆周运动, ,引力常量为引力常量为G,G,则则( ( ) ) CDCD 考点三 卫星的运行规律考点三 卫星的运行规律 1.1.卫星运行的四个关系卫星运行的四个关系 2.2.三类特殊位置的转动比较三类特殊位置的转动比较 【典例典例3 3】 ( (20172017江苏卷江苏卷,6,6)()(多选多选) )“天舟一号天舟一号”货运飞船于货运飞船于20172017年年4 4月月2020日日 在文昌航天发射中心成功发射升空在文昌航天发射中心成功发射升空, ,与与“天宫二号天宫二号”空间实验室对接
20、前空间实验室对接前, ,“天天 舟一号舟一号”在距地面约在距地面约380 km380 km的圆轨道上飞行的圆轨道上飞行, ,则其则其( ( ) ) A.A.角速度小于地球自转角速度角速度小于地球自转角速度 B.B.线速度小于第一宇宙速度线速度小于第一宇宙速度 C.C.周期小于地球自转周期周期小于地球自转周期 D.D.向心加速度小于地面的重力加速度向心加速度小于地面的重力加速度 BCDBCD 核心点拨核心点拨 (1)(1)同步卫星的角速度、周期等于地球自转角速度、周期同步卫星的角速度、周期等于地球自转角速度、周期, ,比比 同步卫星低的同步卫星低的“天舟一号天舟一号”的周期较小的周期较小. .
21、(2)(2)第一宇宙速度是所有卫星中线速度的最大值第一宇宙速度是所有卫星中线速度的最大值. . 方法技巧方法技巧 解决天体运动的一般思路解决天体运动的一般思路 (1)(1)中心天体模型中心天体模型: :天体看做质点天体看做质点, ,围绕中心天体做匀速圆周运动围绕中心天体做匀速圆周运动. . 多维训练多维训练 1. 1. 赤道上的物体、近地卫星、同步卫星的分析与应用赤道上的物体、近地卫星、同步卫星的分析与应用 ( (20182018四川乐山调研四川乐山调研) )有有a,b,c,da,b,c,d四颗地球卫星四颗地球卫星,a,a还未发射还未发射, ,在地球赤道上随地在地球赤道上随地 球表面一起转动球
22、表面一起转动,b,b处于地面附近近地轨道上正常运行处于地面附近近地轨道上正常运行,c,c是地球同步卫星是地球同步卫星,d,d是是 高空探测卫星高空探测卫星. .各卫星排列位置如图各卫星排列位置如图, ,则有则有( ( ) ) A.aA.a的向心加速度等于重力加速度的向心加速度等于重力加速度g g B.B.在相同时间内在相同时间内b b转过的弧长最短转过的弧长最短 C.C.在在4 h4 h内内c c转过的圆心角是转过的圆心角是 D.dD.d的运动周期一定是的运动周期一定是30 h30 h C C 3 2.2. 宇宙速度的分析与应用宇宙速度的分析与应用 ( (20182018江苏泰州中学月考江苏泰
23、州中学月考) )关于绕地运行的人造地关于绕地运行的人造地 球卫星球卫星, ,下列说法中正确的是下列说法中正确的是( ( ) ) A.A.卫星离地球越远卫星离地球越远, ,线速度越大线速度越大 B.B.卫星运行的瞬时速度可以大于卫星运行的瞬时速度可以大于7.9 km/s7.9 km/s C.C.同一圆轨道上运行的两颗卫星同一圆轨道上运行的两颗卫星, ,向心力大小一定相等向心力大小一定相等 D.D.地球同步卫星可以经过两极上空地球同步卫星可以经过两极上空 B B 考点四 卫星变轨问题考点四 卫星变轨问题 3.3.卫星轨道的突变卫星轨道的突变 由于技术上的需要由于技术上的需要, ,有时要在适当的位置
24、短时间内启动飞行器上的发动机有时要在适当的位置短时间内启动飞行器上的发动机, ,使使 飞行器轨道发生突变飞行器轨道发生突变, ,使其进入预定的轨道使其进入预定的轨道. .如图所示如图所示, ,发射同步卫星时发射同步卫星时, ,可以可以 分多过程完成分多过程完成: : (1)(1)先将卫星发送到近地轨道先将卫星发送到近地轨道. (2)(2)使其绕地球做匀速圆周运动使其绕地球做匀速圆周运动, ,速率为速率为v v1 1, ,变轨时在变轨时在P P点点火加速点点火加速, ,短时间内将短时间内将 速率由速率由v v1 1增加到增加到v v2 2, ,使卫星进入椭圆形的转移轨道使卫星进入椭圆形的转移轨道
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